测控遥感与导航定位 自跟踪相控阵接收系统标校方法研究 陈仕进 （中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄０５００８１） 摘要无人机多目标测控系统可采用相控阵实现。对于相控阵系统除了天线之外还包含了信道设备，相 控阵系统中各通道的标校对于和、差波束的形成至关重要。通过实例介绍了一种相控阵系统中通道标校方法，该方 法借助１台矢量电压表，对各通道从场放入口到和、差信号中频输出口的幅度和相位进行了标校。通过对标校误差 对系统和差波束形成的影响分析，给出了工程实现中对通道标校误差的指标分配要求。 关键词 相控阵；和差波束；标校 中图分类号ＴＮ７８ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０ｏ３—３１０６（２０ｏ８）１】一ｏｏ３ｌ—Ｏ３ Ｒ ｓｅａｒｃｈ ０ｎ Ｃａｌｉｂｒａｔｉ０ｎ ０ｆ Ａｕｔ０－ｔｒａｃｌ【ｉｎｇ Ｐｈａｓｅｄ ＡｒｒａＶ Ｒｅｃｅｉｖｅ ＳＶｓｔｅｍ ＣＨＥＮ Ｓｈｉ．ｉｉｎ （ ５４砘Ｒｅｓｅ０ 豳鹏 衄 ，肌泓 ∞，ｌｇ丑ｌｅ６ｅ ０５００８１，ｃｈ ） ＡｂｓＩ ｃｔ Ｍｌｌｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔ ｍ０ｎｉｔ０ｒｉＩ１ｇ ａＩｌｄ ｃ０ｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ０ｆ ｕＡＶ ｃａＩＩ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｕ８ ｐｈａｓｅｄ ａｒＩ＿ａｙ ８ｙｓｔｅｍ．１ｈｅ ｐｈａｓｅｄ眦ａｙ ｓｙｓｔｅｍ ｃｌｕｄｅｓ ｔｌ１ｅ ｃｈ舢ｅ】ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂｅｓｉｄｅｓ ｔｌｌｅ ａＪ１ｔｅｎｌｌａ，ａｎｄ ｔｌ１ｅ ｃａｌｉｂｒａ【ｉ０ｎ ｆ０ｒ ｅｖｅｒ）ｒ ｅｈａｎｎｅｌ ｉ８ ｖｅｒ）ｒ＝ｍｐ０ｒｔａＪ１ｔ ｆ０ｒ ｆ０珊ａｔｉｏｎ ０ｆ ｓｕｍ ａＪｌｄ ｄ证ｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅ蛐．Ｔｈｉｓ ｐ印ｅｒ ｇｉｖｅｓ ａｎ ｅｘ锄ｐｌｅ ｔ０ ｉｎｔｒＩ）ｄｕｃｅ ａ ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｌｉｂｍｔｉ０ｎ ｍｅｔｌ１０ｄ ０ｆ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉ８ ｍｅｔｌｌｏｄ ｃａｌｉｂｍｔｅ８出ｅ蛐ｐｌｉｔｕｄｅ ａＩｌｄ ｐｈａｓｅ ０ｆ ｖ ０ｕ８ ８ｉｇｎａｌｓ ｍ ｔｈｅ ｅｎ岫ｃｅ ０ｆ ＬＮＡ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｎｅｄｉａｔｅ ｑｕｅｎｃｙ ０ｕｔｐｕｔ ０ｆ ｓｕＩｎ ａｎｄ ｄ迁ｒｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇＩｌａｌ ０ｆ ａＪｌ ｃｈａｎｎｅｌ８ ｔＩｌｒｏｕｇＩＩ ａ ｖｅｃｔｏｒ ｖ０ｌｔａｇｅ ｍｅｔｅｒ．Ｉｔ ａｎａ１ｙｚｅ８ ｔｌｌｅ ｉＩｌｆｌｕｅｎｃｅ ０ｆ ｃａｌｉｂｒａｔｉ０ｎ ｅｒｍｒ ０ｎ ｓｙ８ｔｅｍ ａｌｌｄ山ｅ ｆ０ｍ毗ｉ０ｎ ０ｆ ８ｕｍ ａｎｄ ｄｉ矗－ｅｒｅｎｃｅ ｂｅ舢，肌ｄ ｇｉｖｅ８ ｔｌｌｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ８ ｏｆ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｅ玎＇０ｒ ａｓｓｉｇｌ】匝ｅｎｔ ｆ０ｒ ｎ ｃｈａＩｌｌｌｅｌｓ ｉｎ出ｅ ｅｎ百ｎｅｅｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗＯｒｄｓ ｐｈａｓｅｄ ａｍｙ ８ｙｓｔｅｍ；８岫鲫ｄ ｄｉ ＿ｅｒｅｎｃｅ ｂｅａｍ；ｃａｌｉｂｒａ ｉｏｎ ０ 引言 成为右子阵。左子阵与右子阵相加组成和通道。左 子阵与右子阵分别通过幅相调节网络合并，做差组 目前无人机测控系统中要求由一个地面站实现 成差通道。差信号通过０／ 调制器调制由定向耦合 对多架无人机的测控及侦察信息的接收。为此地面 器与和通道合并为单通道送后端处理。 站可采用相控阵天线，同时形成多个波束分别 第１路 第ｎ路 第ｎ＋１路 第２ｎ路 对应各自控制的无人机。相控阵天线要求在合并前 各天线阵元间通道增益和相位严格一致。但是对于 耦合器ｆ定向ｆ ｌ Ｉ ｆ定向ｆ耦合器Ｐ 『ｆ定向ｆ－’Ｊ ｌ耦合器ｒ －＿１ Ｉｌ定向 耦合器 分Ｉ路ｌ 一ｌ 源 无人机控制站，其使用环境恶劣，一般要求工作温度 在一４０℃～＋５５ ｃ【＝均能正常工作，并且要求地面站 射频组件ｌ Ｉ射频组件 射频组件Ｉ Ｉ射频组件 具有灵活机动的特点。因此，在无人机相控阵 １士 仃士 疗＋１● ２门＋ Ｌ 左子阵和 右子阵和 的地面站中如何实现相控阵天线各通道的方便标校 参考 黉蘑 道葶右孕Ｉｆ 道差左通 ｌｌ 通道 是一个重要的问题。 Ｉ矢量电压 １ 实时标校方案 ｌ表或矢网 ———广 和通道Ｊ 相控阵天线标校框图如图１所示。每一个天线 后面都有射频组件，每一射频组件内都包含接收前 和 端、开关控制器和幅度相位控制器，可以地调整 各通道的增益及相位，可以地关断每一路信号。 图１相控阵天线标校框图 天线左面ｎ通道合成为左子阵，天线右面ｎ通道合 收稿日期：２Ｏｏ８．０５．１２ ２００８年无线电工程第３８卷第１１期 ３１ 测控遥感与导航定位 射频标校源产生射频标校信号通过分路器分路 给各通道作为标校信号。选其中的一个通道（如２ｎ 通道）接收信号作为参考，与合路之后的信号一起送 矢量电压表或矢网进行比较。 参考信号表达式如式（１）所示。通过各通道的 开关控制，关掉其中的２ｎ一１路信号，只留其中的 任一路信号，与参考支路比较，分别测出各通道输出 信号的相位与参考信号相位差△乒， ，调整各通道的 相位控制器使△声 一致，就实现了相位初始标校的 目的。分别测出各通道信号幅度，调整各通道幅度 控制器使各通道接收信号幅度一致，实现了幅度标 校的目的。 ｓ参考（ｆ）＝Ａ０ｃ０８（（ｃＪ０￡＋ 参考）。 （１） 下面分别就天线的和通道标校、差通道标校以 及和差通道相位一致性标校方法进行讨论。 １．１ 和通道标校过程 和通道标校过程如下： ①各通道幅相差值的初步测量。通过设置控 制开关，只让Ｋ通道导通，其他通道截止，把Ｋ通道 的相位控制器设置为０，幅度衰减器设置为Ｏ ｄＢ。 送到和通道的信号仅包含Ｋ通道信息，其中包含了 Ｋ通道的增益及相位信息，信号表达式为： ∑（￡）＝ＡＫｃ０ｓ［叫０ｆ＋ Ｋ］。 （２） 与参考信号相比较得Ｋ通道信号与参考信道接收 信号的相位差为： △≠Ｋ＝ Ｋ一声参考。 通过直接测量得到Ｋ通道的信号幅度ＡＫ，把△ Ｋ、 Ａ 存人计算机中。 与Ｋ路相同，分别测出其他２ｎ一１路的幅值及 相位差，存入计算机。 ②各通道幅相零值计算如下： 幅度零值：选择其中幅度最低的一路信号作为 参考（假设为第Ｌ路）；计算其他任一通道Ｋ与参考 ．． 通道的幅度差值：２０ｌ０ｇ（ ＾Ｌ ）ｄＢ，以此作为第Ｋ通道 的幅度零值，第Ｌ通道幅度零值为０ ｄＢ。 相位零值：选择第一路作为参考，设置其相位零 值为０，计算其他任一通道Ｋ的相位零值： ［△ ０一△ Ｋ］Ｍ０Ｄ ３６０。 ③改变射频标校源频率，在系统工作频带内进 行多点标校，存储不同频点的初始标校值。 １．２差通道标校过程 差通道标校过程如下： ３２ ２ｏｏ８ Ｒａｄｉ０ Ｅｎ Ｉｌｅｅ—Ｉｌｇ ｖｔ＇１．３８ 『０．１１ ①把左右子阵中各通道幅度控制器及相位控 制器设置为标校零值； ②差通道右、和通道设置为截止状态，差通道 左设置为导通状态，差通道左相位控制器设置为０， 幅度衰减器设置为０ ｄＢ。测量差通道左与参考通道 相比的相位差：△声左＝ 左一ｊ５参考，测量差通道左的 幅度值Ａ牟； ③差通道左、和通道设置为截止状态，差通道 右设置为导通状态，差通道右相位控制器设置为０， 幅度衰减器设置为０ ｄＢ。测量差通道右与参考通道 相比的相位差：△ｊ５右＝ｊ６右一声参考，测量差通道右的 幅度值Ａ右； ④零值计算如下： 相位零值：选择左通道作为基准，设置其相位零 值为０，取［△ 左一△声右＋１８０ｏ］ＭＯＤ ３６０作为差通道 右的相位零值； 幅度零值：选择Ａ左、Ａ右中幅度较低的一路信 ． 号作为参考（假设为Ａ左）；计算２０ｌ０ｇ（等）ｄＢ，以此 作为差通道右的幅度零值，差通道左的幅度零值为 Ｏ ｄＢ： ⑤改变射频标校源频率，在系统工作频带内进 行多点标校。 １．３和差通道相位一致性标校过程 标校方法同１．２，把差通道左和和通道相位标 校为一致，得到和通道相位零值为： ［△ 左一△ 和］Ｍ０Ｄ ３６ｏ。 ２ 系统标校误差对波束形成的影响 通过上面的标校，系统各通道幅度及相位还存 在一定的标校误差，下面就幅度及相位标校误差对 系统和、差波束的影响进行仿真分析。 如图２所示，以１６元线阵作为仿真模型，设要 形成的波束指向为 Ｂ（仿真时波束指向为０Ｄ， Ｂ＝ ０），则各通道移相器差值设置为竿ｄｓｉｎ Ｂ，设第凡阵 元的相位误差和幅度误差分别为 和艿 。则第ｎ 个天线阵元在远区产生的电场强度表示为： Ｅ ：（１＋ ）．ｅｉ（ ｓｉｎ８一孥 Ｂｉｎ Ｂ）．ｅｉ 。 则和波束方向图为： Ｆ。 ＝２０ｌｇｌ蚤ＥｎⅣ一１ ＩｄＢ。 差波束方向图为： ， ＝２０ｌｇ Ｉ善 一 Ｉ。 ｌ目标方向 ，． ， Ｉ、Ｉ／ ／， ） （ ） （ 、／ 、……ｒ ＼ 、／）……ｒ 阵元间距 ｄ 、 厂 、 厂 、 ，一 、 ，一 ２ ３ 门 １６ 图２线阵天线示意图 考虑幅度标校随机误差为Ｏ．５ ｄＢ、１ ｄＢ和２ ｄＢ 和３ ｄＢ情况下，幅度误差对和、差波束方向图及差零 深的影响。图３为不同幅度误差情况下系统和、差 波束方向图（０．５ ｄＢ和３ ｄＢ），表１为不同幅度误差 对系统和、差波束方向图及差零深的影响。 ∞ 鉴 角度／（。） （ａ）幅度误差０．５ ｄＢ ∞ 馨 角度／（。） （ｂ）幅度误差３ ｄＢ 图３不同幅度误差系统和差波束方向图 表１不同幅度误差和差波束方向图影响 幅度误差／ｄＢ Ｏ．５ ｌ ２ ３ 均值 ２４．０６ ２４．ｏ７ ２４．ｏ７ ２３．９９ 和波束幅度／ｄＢ 标准偏差 ０．１２ Ｏ．２７ ０．５９ ０．９５ 差波束零点 均值 一１７．８７ —１０．８３ —５．４８ —１．６９ 幅度／ｄＢ 标准偏差 １Ｏ．３Ｏ１ ８．４３ ８．８６ ｌ０．７７ 均值 ４１．９４ ３４．９１ ２９．５６ ２５．６８ 零深差／ｄＢ 标准偏差 １Ｏ．３ ８．４９ ８．８Ｏ ｌＯ．９ｏ 由图３及表１可看出各通道幅度标校残差对和 波束影响不大，但对差波束影响较大。 考虑相位标校随机误差为２。、５ｏ、ｌ０ｏ、１５。等情况 下，相位误差对和、差波束方向图及差零深的影响。 表２为不同相位误差对系统和、差波束方向图及差 零深的影响，图４为不同相位误差系统和、差波束方 测控遥感与导航定位 向图（２。和１５。）。 ∞ 世 罂 角度／（。） （ａ）相位误差２。 ∞ 馨 角度／（。） （ｂ）相位误差１５。 图４不同相位误差系统和差波束方向图 表２不同相位误差系统和差波束方向图影响 相位误差／（。） ２ ５ ｌ０ １５ 均值 ２４．ｏ７ ２４．０５ ２３．９５ ２３．８Ｏ 和波束幅度／ｄＢ 标准偏差 ０．Ｏ０２ Ｏ．０１ Ｏ．ｏ５ Ｏ．ｏ９ 差波束零点 均值 ～２２．５４ 一ｌ４．２１ —６．９７ —６．ｏ８ 幅度／ｄＢ 标准偏差 ９．３３ ９．０３ ８．９５ ６．９４ 均值 ４６．６２ ３８．２６ ３０．９３ ２９－８８ 零深差／ｄＢ 标准偏差 ９．３３ ９．ｏ４ ８．９６ ６．９７ 由图４及表２可看出各通道相位标校残差对和 波束影响不大，对差波束有一定的影响，但没有幅度 残差影响大，实际系统标校过程中相位残差很容易 做到５ｏ以内。 ３ 结束语 系统标校是和差波束形成的关键，利用矢量电 压表进行标校是可行的。通过对幅度、相位误差对 系统和差波束形成的影响分析，建议系统指标分配 时，幅度标校误差应控制在１ ｄＢ之内，相位标校误 差应控制在５。以内，这样对波束形成影响不大。．ｉ． 参考文献 ［１］向敬成，张明友．雷达系统［Ｍ］．北京：电子工业出版社， ２ｏｏ１． ［２］张光义．相控阵雷达系统［Ｍ］．北京：国防工业出版社， ２ｏ０１． ［３］耿新涛．相控阵发射系统中幅相校准方法研究［Ｊ］．无线 电通信技术，２０ｏ８，３４（１）：５９—６１． 作者简介 陈仕进男，（１９７４一），中国电子科技集团公司第五十四研究所 高级工程师。主要研究方向：数字信号处理。 ２００８年无线电工程第３８卷第１１期 ３３
